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AC/DC

使用SiC-MOSFET的隔離型準諧振轉換器的設計案例

設計中使用的電源IC:專為SiC-MOSFET最佳化

本文將從設計角度首先對在設計中使用的電源IC進行介紹。如“前言”中所述,本文中會涉及“準諧振轉換器”的設計和功率電晶體使用“SiC-MOSFET”這兩個新課題。因此,設計中所使用的電源IC,是可將SiC-MOSFET用作開關的準諧振轉換IC。

在使用電源IC的設計中,要使用SiC-MOSFET需要專用的電源IC

設計中使用的電源IC是ROHM的“BD7682FJ-LB”這款IC。BD7682FJ-LB是AC/DC轉換器用的準諧振控制器,是全球首款*專為驅動SiC-MOSFET而最佳化的IC。(*截至2015/3/25的資料)

您可能已經注意到,開關要使用SiC-MOSFET時,需要為將SiC-MOSFET用作開關而專門設計的電源用IC。這意味著SiC-MOSFET的閘極驅動與Si-MOSFET是不同的。您可能馬上會問“有什麼不同呢?”,在介紹電源IC之前,先來瞭解一下SiC-MOSFET與Si-MOSFET的閘極驅動的不同之處。

主要的不同點是SiC-MOSFET在驅動時的VGS稍高,內部閘極電阻較高,因此外接閘極電阻Rg需要採用小阻值。Rg是外接電阻,屬於電路設計的範疇。但是,閘極驅動電壓絕大多數情況下都取決於IC的規格,因此雖然不是沒有方法,但選用專為SiC-MOSFET用而最佳化的電源IC應該是上策。

具體一點來講,在規格方面,一般的IGBT或Si-MOSFET的驅動電壓為VGS=10V~15V,電源IC以“AC/DC PWM方式返馳式轉換器設計手法”篇中使用的AC/DC轉換器用PWM控制IC:BM1P061FJ為例,其閘極驅動電壓(OUT引腳H電壓)為10.5V(min)~14.5V(max),typ為12.5V。

對此,SiC-MOSFET的VGS為20V以上,並逐漸飽和,因此一般建議使用VGS=18V左右進行驅動。此次使用的BD7682FJ-LB的閘極驅動電壓(OUT引腳鉗位元電壓)為16.0V(min)~20.0(max),typ為18.0V。

下圖是BM1P061FJ的設計過程中使用的N-ch 800V 5A的Si-MOSFET:R8005ANX(左)和此次使用的N-ch 1700V 3.7A的SiC-MOSFET:SCT2H12NZ(右)的導通電阻與VGS特性比較圖。從比較圖中可以看出,上述IC的閘極驅動電壓在每種MOSFET將要飽和前變為VGS。

20170607_graf_01

由於該比較不是在同等規格和條件下的比較,因此請當做用來理解上述VGS之不同的資料使用。

設計中所使用的電源IC:SiC-MOSFET驅動用AC/DC轉換器控制IC:BD7682FJ-LB

通過前面的說明,相信您已經理解了BD7682FJ-LB作為SiC-MOSFET用IC最重要的關鍵點,接下來介紹其概要和特點。

<特點>

  • 小型8引腳SOP-J8封裝
  • 低EMI準諧振方式
  • 降頻功能
  • 待機時消耗電流低:19uA
  • 無負載時消耗電流低(輕載時採用猝發模式工作)
  • 最高頻率(120kHz)
  • CS引腳Leading-Edge Blanking(前緣遮蔽)
  • VCC的UVLO保護和OVP保護
  • 逐週期過電流保護電路
  • 緩啟動
  • ZT觸發器遮罩功能及OVP保護
  • 輸入欠壓保護功能(掉電)
  • SiC-MOSFET用閘極鉗位元電路

<重要特性>

  • 工作電源電壓範圍(VCC):15.0V~27.5V
  • 正常工作電流: 0.80mA(typ.)
  • 猝發模式時工作電流: 0.50mA(typ.)
  • 最高振盪頻率: 120kHz(typ.)
  • 工作溫度範圍: -40℃~105℃

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主要的特點是SiC-MOSFET適用和準諧振方式。準諧振方式利用緩開關工作,與PWM方式相比,具有低雜訊、高效率、可降低EMI的優點。

另外,還內建多種保護功能,在690VAC這樣的高電壓條件下也可工作,可支援廣泛的工業裝置應用。其中包括電源電壓引腳的過壓保護、輸入電壓引腳Brown-In / Brown-Out(低電壓輸入動作禁止功能)、過電流保護、二次側電壓過壓保護等。

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在高耐壓應用中,與Si-MOSFET相比,SiC-MOSFET具有開關損耗及傳導損耗少、溫度帶來的特性波動小的優點。這些優點有利於解決近年來的重要課題–節能化和小型化,比如有助於提高功率轉換效率,可實現散熱器的小型化,可高頻工作從而實現變壓器和電容的小型化等。

右圖是在AC/DC轉換器中SiC-MOSFET與Si-MOSFET的效率比較。如圖所示,預計可實現高達6%的效率提升。

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另外,除此次使用的BD7682FJ-LB之外,根據FB引腳超載保護、VCC引腳過壓保護功能,還有另外3種不同機型。

  FB引腳OLP VCC引腳OVP
BD7682FJ-LB AutoRestart Latch
BD7683FJ-LB Latch Latch
BD7684FJ-LB AutoRestart AutoRestart
BD7685FJ-LB Latch AutoRestart

最後,雖然與特性和性能沒有直接關係,也在此提一下,這些產品是針對工業裝置市場的、保證長期供應的產品。作為具備卓越性能和工業裝置所需保護功能等的電源IC,這樣的支援也是非常重要的。

下一篇文章將對準諧振方式進行介紹。

重點:

・在使用電源IC的設計中,要使用SiC-MOSFET需要專用的電源IC。

・SiC-MOSFET和Si-MOSFET的閘極驅動電壓VGS不同。

・設計中使用了SiC-MOSFET驅動用AC/DC轉換器控制IC:BD7682FJ-LB。


PWM返馳式轉換器設計範例